颗粒污泥生物反应器中甲烷（CH?）原位生成的评估及其对硝化-反硝化过程的影响

《Journal of Water Process Engineering》：Evaluation of in- situ methane (CH 4) production and its effect on nitrification-denitrification in a granular sludge bioreactor

本研究通过扩展ASM2模型，分析颗粒污泥反应器中甲烷生成菌、硝化菌与反硝化菌的协同作用对氮去除效率的影响。结果表明，低溶解氧有利于甲烷生成和厌氧甲烷氧化脱氮（MDAMO），MDAMO过程在适宜条件下比传统硝化-反硝化（NDN）更高效，需优化有机碳浓度、溶解氧水平和水力停留时间以实现氮气最大产率。

　　在当今社会，随着人口增长和工业化进程的加快，水体污染问题日益严重，特别是化学和生物污染物对环境和人类健康的威胁。氮元素作为重要的营养物质，其过量排放会对水生态系统造成深远影响。氮污染主要来源于农业活动、工业排放以及人类生活污水，其中食品废弃物对氮污染的贡献尤为显著，每年约有390亿吨氮被排放到环境中。这种污染不仅影响水质，还可能导致水体富营养化，破坏生态平衡，并对饮用水安全构成威胁。因此，研究和优化氮去除技术，特别是通过氮气（N?）形式实现的永久性氮去除，成为当前环境工程领域的重要课题。

在废水处理中，氮去除通常通过硝化-反硝化（NDN）过程实现。这一过程依赖于硝化细菌将氨氮（NH??）转化为硝酸盐（NO??），然后由反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气。然而，随着对废水处理效率和可持续性的关注增加，研究人员开始探索更为高效和经济的氮去除方法。其中，厌氧甲烷氧化（MDAMO）过程的引入，为氮去除技术带来了新的可能性。MDAMO是一种由厌氧甲烷氧化菌（DAMO）介导的生物过程，能够同时进行甲烷的氧化和硝酸盐的还原，从而实现更高效的氮气生成。

MDAMO过程的核心在于微生物之间的协同作用。在颗粒污泥反应器中，DAMO菌、硝化菌和反硝化菌共同存在，形成一个复杂的生物网络。这些微生物在不同的氧气浓度和有机碳浓度下表现出不同的活动模式。例如，当氧气浓度较低时，甲烷生成菌（methanogens）在颗粒污泥反应器中占据主导地位，这可能对氮去除效率产生一定的负面影响。相反，在中等氧气浓度下，异养反硝化菌（heterotrophic denitrifiers）成为主要的氮去除参与者，而高氧气浓度则会促进硝酸盐氧化菌（nitrite oxidizing organisms）的活动，导致硝酸盐的积累。

此外，有机碳的浓度对氮去除过程也具有重要影响。较高的有机碳浓度能够为反硝化菌提供充足的碳源，从而促进氮的去除。然而，当有机碳浓度较低时，DAMO菌可能会因竞争关系而受到抑制。因此，在实际应用中，需要根据反应器的运行条件，如水力停留时间（HRT）、氧气浓度和有机碳浓度，进行优化调整，以实现最佳的氮去除效果。例如，较长的HRT可能有助于提高硝化效率，但同时也可能导致硝酸盐的积累，从而降低氮去除的整体效率。相反，较短的HRT可能提高反应器的处理速度，但需要更高的供氧量来维持高效的氮去除。

在实际操作中，颗粒污泥反应器因其良好的抗冲击负荷能力、高处理效率和低运行成本，成为研究氮去除技术的重要平台。颗粒污泥的形成需要较长的运行时间，但一旦形成，其内部的微生物群落会逐渐稳定，从而提高处理效果。在颗粒污泥反应器中，硝化和反硝化过程可以同时进行，这得益于反应器内部的分层结构。例如，在好氧区域，硝化菌能够有效利用溶解氧将氨氮转化为硝酸盐，而在缺氧区域，反硝化菌则可以将硝酸盐还原为氮气。这种结构使得颗粒污泥反应器在处理含氮废水时具有更高的效率。

然而，随着对氮去除技术的深入研究，研究人员发现，甲烷生成菌与DAMO菌之间的相互作用对氮去除过程具有重要影响。在某些情况下，甲烷生成菌可能会抑制DAMO菌的活性，从而影响氮的去除效率。因此，如何在反应器中优化这些微生物的共存关系，成为研究的重点。此外，甲烷作为DAMO菌的碳源和电子供体，在氮去除过程中发挥着重要作用。甲烷的氧化不仅能够减少氮的积累，还能够提高氮气的生成效率。因此，在实际应用中，需要考虑甲烷的来源和浓度，以确保反应器的高效运行。

近年来，研究人员通过将DAMO过程与其他氮去除技术相结合，如硝化、部分硝化、反硝化和厌氧氨氧化（anammox），开发了多种高效的氮去除方法。这些方法不仅提高了氮去除效率，还减少了对能源和化学品的依赖。例如，在膜颗粒生物反应器中，通过使用气体渗透膜控制氧气供应，并作为生物膜的支持结构，研究人员能够更有效地调节反应器的运行参数，如HRT、氧气浓度和生物膜厚度，从而优化氮去除效果。此外，一些研究还发现，较小的颗粒尺寸能够提高氨氮和甲烷的去除效率，这为反应器的设计和优化提供了新的思路。

综上所述，甲烷生成菌、硝化菌和反硝化菌在颗粒污泥反应器中的相互作用对氮去除效率具有重要影响。研究发现，不同的氧气浓度和有机碳浓度会影响这些微生物的活动模式，从而改变氮去除的整体效果。因此，在实际应用中，需要根据反应器的运行条件，进行优化调整，以实现最佳的氮去除效果。同时，甲烷作为DAMO菌的碳源和电子供体，在氮去除过程中发挥着重要作用。通过合理设计反应器的结构和运行参数，可以进一步提高氮去除的效率，减少对环境的影响，并促进可持续发展。